基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力物聯(lián)網(wǎng)工程的后評價場景研究

張戈力

（國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

0 引 言

眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起是第四次工業(yè)革命的標(biāo)志之一。伴隨5G技術(shù)等新技術(shù)出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被視作是一種硬件、軟件結(jié)合的信息管理的解決方案[1-3]。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)思維[4-5]也經(jīng)迅速被人們所接受，同時帶動了能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

互聯(lián)網(wǎng)思維地引入，促進了電力產(chǎn)業(yè)升級換代，催生了新興的制造產(chǎn)業(yè)，使能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)隨之迅速發(fā)展。應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)思維、使用物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)形式與傳統(tǒng)電力生產(chǎn)相結(jié)合，構(gòu)建信息暢通的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，有利于推動“兩網(wǎng)”融合發(fā)展，提升電網(wǎng)的質(zhì)量。特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與低壓配電領(lǐng)域的緊密結(jié)合，如微電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展成為了能源發(fā)展的新興領(lǐng)域之一。

為了落實《網(wǎng)絡(luò)強國建設(shè)行動計劃》，推動能源革命和數(shù)字革命融合發(fā)展，實現(xiàn)電力100%可再生化，國家電網(wǎng)公司正在積極推進泛在電力物聯(lián)網(wǎng)[6-9]建設(shè)，并促進世界一流能源企業(yè)戰(zhàn)略實施。

近期，區(qū)塊鏈這一數(shù)據(jù)模型成為了熱點方向。我國《“十三五”國家信息化規(guī)劃》將區(qū)塊鏈技術(shù)列為戰(zhàn)略性發(fā)展方向。2019年習(xí)近平總書記在中央政治局第十八次集體學(xué)習(xí)時強調(diào)，把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新重要突破口，加快推動區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)的重要性不言而喻。

為了有效評價物聯(lián)網(wǎng)投資，研究未來電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)工程后評價的可能場景十分有必要。

1 區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)[10-12]是基于“鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)”的計算網(wǎng)絡(luò)，其對每個節(jié)點的獨立性要求較高，需要具有豐富的存儲能力，以及優(yōu)秀的處理計算能力，來處理不同的數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表明，本質(zhì)上區(qū)塊鏈技術(shù)是一種弱中心化、甚至是去中心化的網(wǎng)絡(luò)[13]。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而言，區(qū)塊鏈較傳統(tǒng)的中心化網(wǎng)絡(luò)，其信息鏈條不單一，數(shù)據(jù)獲取靈活，在保證穩(wěn)定性的前提下，克服了中心化網(wǎng)絡(luò)關(guān)系單一、安全風(fēng)險集中的問題，具有較高的安全性。

信息物理系統(tǒng)[14]是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與堅強智能電網(wǎng)的橋梁，如圖1所示，其通過信息網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和各種計算架構(gòu)，聯(lián)結(jié)堅強、智能化的電力輸配電網(wǎng)絡(luò)與泛在感知的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。信息物理系統(tǒng)包括“三域”，即物理域、信息域、社會域。物理域包括能量路由器、電子傳感設(shè)備等能源互聯(lián)設(shè)備，是將傳統(tǒng)的單一方向的電能配送轉(zhuǎn)換成按需轉(zhuǎn)換、分配的雙向流動的電力中繼裝置。信息域是信息交互的平臺，實現(xiàn)市場交易、信息傳輸、系統(tǒng)監(jiān)控等二次功能。社會域是人與人交互，人與信息物理社會交互的場所。

圖1 信息物理系統(tǒng)的橋梁作用

區(qū)塊鏈在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用需要合理融入信息物理系統(tǒng)，以優(yōu)化系統(tǒng)中各設(shè)備的使用為目標(biāo)，搭建應(yīng)用場景。在信息物理系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)安全非常重要，是系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的基本條件。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N基于密碼學(xué)的技術(shù)，所以區(qū)塊鏈技術(shù)在信息安全領(lǐng)域具有較強的優(yōu)勢。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的形式從拓?fù)渖蟻碚f安全性較強，并且抗電子攻擊能力較強。信息物理系統(tǒng)即是區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)載體。

目前，區(qū)塊鏈在能源行業(yè)主要應(yīng)用于能源金融交易。其利用P2P功能，實現(xiàn)不同交易主體在同一交易權(quán)限下，同時審批、確認(rèn)交易，簽訂智能合約，使交易準(zhǔn)確、快捷地完成。這一類交易功能在微網(wǎng)、綜合能源服務(wù)中具有較大的推廣前景。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最早由麻省理工的奧斯汀教授提出。物聯(lián)網(wǎng)通過有線連接（網(wǎng)絡(luò)光纖連接）和無線連接（WiFi、5G連接）實現(xiàn)物物相連，起到擴展物體與物體間交互功能的作用，包括控制、人機交互、機與機交互的能力。

物聯(lián)網(wǎng)可以產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)量，結(jié)合新的互聯(lián)網(wǎng)思維和新形式的商業(yè)模式，這些數(shù)據(jù)包括的較多的信息可以利用大數(shù)據(jù)的方式被挖掘出來。

對于電力系統(tǒng)來說，物聯(lián)網(wǎng)是原有電網(wǎng)與現(xiàn)代先進通信技術(shù)的融合升級，是物物相連的信息互聯(lián)網(wǎng)。

2 電力物聯(lián)網(wǎng)

2.1 配電網(wǎng)成為電網(wǎng)發(fā)展重點領(lǐng)域之一

工程實踐中，一般粗略地將電網(wǎng)劃分為主網(wǎng)、配網(wǎng)兩部分：110 kV及以下為配網(wǎng)部分；110 kV以上為主網(wǎng)部分。一般來說，主網(wǎng)主要由輸電網(wǎng)等部分組成。我國的輸電網(wǎng)絡(luò)通過積年累月的發(fā)展，形成了500 kV主干網(wǎng)及特高壓骨干網(wǎng)架，750 kV，330 kV，220 kV網(wǎng)架發(fā)展合理的現(xiàn)狀。輸電系統(tǒng)運行維護的技術(shù)水平較高，發(fā)展已經(jīng)相對完善。

配網(wǎng)方面，國家能源局印發(fā)的《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃（2015—2020年）》中，計劃在5年內(nèi)投資2萬億元，用于配網(wǎng)建設(shè)。電網(wǎng)投資從以輸電網(wǎng)為重點轉(zhuǎn)向能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)領(lǐng)域。國家鼓勵社會資本、電網(wǎng)企業(yè)加大配網(wǎng)投資。

此外，國家開展增量配電改革，一方面是增加市場競爭，提高投資效率；另一方面，也可以增加配網(wǎng)領(lǐng)域的投資能力，促進配網(wǎng)的發(fā)展。在能源電力行業(yè)實施泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略大背景下，我國配網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)升級迎來良機。

電力生產(chǎn)中，涉及配電網(wǎng)包括配電和用電環(huán)節(jié)，這兩個環(huán)節(jié)是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和應(yīng)用的主要場景。一方面，由于建設(shè)電力市場、垂直一體化解綁等改革預(yù)期，配電零售交易存在進一步深化市場化建設(shè)的需要，進一步激活市場在資源配置中的主要作用，有利于在基于交易效率提升的基礎(chǔ)上實現(xiàn)能源利用效率的提升。用電環(huán)節(jié)亦是如此，用戶友好的用電交互界面設(shè)計，如移動端應(yīng)用，可以為用戶提供泛在物聯(lián)的能源交易操作云平臺，孕育電力消費的新型商業(yè)模式。

2.2 現(xiàn)階段電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)

建設(shè)電力物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略之下，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)思維發(fā)展電網(wǎng)，進一步構(gòu)建“三型”電網(wǎng)。電網(wǎng)企業(yè)大力推動了電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，并做了以下探索：

（1）通過物理場所及設(shè)備出租，形成多站融合商業(yè)運營。電網(wǎng)擁有數(shù)量龐大的設(shè)備及變電站站內(nèi)土地、空間資源，通過將北斗、5G等基站與電網(wǎng)的計算架構(gòu)多站合一、多站融合，獲得合理的商業(yè)出租收入，發(fā)掘電網(wǎng)企業(yè)新的利潤增長點，同時也將為通信企業(yè)節(jié)約建設(shè)投資，在降電價等宏觀因素對電網(wǎng)利潤的影響下，新的利潤增長點有利于企業(yè)的長期發(fā)展。

（2）基于感知的對內(nèi)業(yè)務(wù)開展，如通過大范圍設(shè)置的感知傳感裝置，采集調(diào)度需要的信息，實時開展調(diào)度分析，提升電網(wǎng)調(diào)度水平；通過傳感器開展工程建設(shè)管理；更精確的用電負(fù)荷預(yù)測、用戶畫像；設(shè)備狀態(tài)檢測、狀態(tài)檢修等。

（3）基于數(shù)據(jù)分析中心的計算能力，構(gòu)建邊緣計算節(jié)點，形成邊緣計算網(wǎng)絡(luò)，極大地增強了電網(wǎng)企業(yè)地數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)挖掘的能力，將可能產(chǎn)生新的商業(yè)模式和運維方法。

2.3 區(qū)塊鏈技術(shù)特點

區(qū)塊鏈可以分為公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈三種形式，在智能用電領(lǐng)域一般使用聯(lián)盟鏈。區(qū)塊鏈的去中心化特點適于描述多主體參與的決策、交易的問題。多個主體在平等參與的基礎(chǔ)上，開展交易、審批等業(yè)務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)互連的方式傳輸信息，并且在每個節(jié)點都存儲交易信息，即在每個節(jié)點分布式存儲，降低統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫受到攻擊導(dǎo)致商業(yè)風(fēng)險的危害。由其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以看出，其鏈路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可以適用于電網(wǎng)中如電力交易等開展行為復(fù)雜的商業(yè)業(yè)務(wù)場景。區(qū)塊鏈的去中心網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 區(qū)塊鏈的去中心網(wǎng)絡(luò)

區(qū)塊鏈技術(shù)的信任機制是由“公共賬本”機制構(gòu)成的，依托于分布式存儲，存儲網(wǎng)絡(luò)中全部交易信息或大部分交易信息，使得交易信息不易篡改，保證了交易的安全性。并且其實現(xiàn)了交易可追溯的功能，即某一交易從發(fā)起至完成的所有流程均可以通過鏈的路徑被一一追溯。這一特性使得交易過程的公開透明度大為提高，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如如圖3所示[15]。

圖3 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的電網(wǎng)業(yè)務(wù)場景中，取得交易共識需要較高的溝通、談判成本，構(gòu)建交易信任的成本較高，如電力交易、招標(biāo)采購、供應(yīng)鏈管理等場景。在能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，電力交易[16]存在多主體參與，包括電網(wǎng)公司、用戶、分布式能源生產(chǎn)商、增量配電運維商等等。區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，可以降低電力交易場景中的交易參與門檻。一方面，運用區(qū)塊鏈技術(shù)中的共識算法，可以解決電力交易中信任構(gòu)建問題。共識算法包括：工作量證明機制、權(quán)益證明機制、 股權(quán)授權(quán)機制和分布式一致性算法。在這些需要交易信任構(gòu)建的場景中，區(qū)塊鏈技術(shù)具有較為廣闊的應(yīng)用前景，可以有效降低信任構(gòu)建的成本，并且實現(xiàn)復(fù)雜的交易關(guān)系網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

招標(biāo)采購中，業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)較長，需要經(jīng)過專家評標(biāo)、上級部門審批、中標(biāo)公示等環(huán)節(jié)，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)可以加強此類場景中的公開透明程度，保證各環(huán)節(jié)審批信息不被篡改，保證采購物料質(zhì)量，且過程合理、合規(guī)。

3 未來區(qū)塊鏈在電力物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用領(lǐng)域及其后評價場景研究

泛在概念強調(diào)無處不在，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不受地域限制的優(yōu)勢，但大量分散分布的傳感設(shè)備，帶來了信息安全的挑戰(zhàn)。國家電網(wǎng)提出的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)“云、管、邊、端”體系中，物聯(lián)網(wǎng)是一個弱中心化的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的智能接收設(shè)備在物理上沒有一個統(tǒng)一的中心化服務(wù)器安全模型。如構(gòu)建中心化的安全模型，會比較容易受到信息攻擊?；谌踔行幕木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用哈希矩陣加密，區(qū)塊鏈技術(shù)便可以有效解決這一安全問題。

改進后的區(qū)塊鏈技術(shù)，可以實現(xiàn)博弈、拍賣、投標(biāo)等方式完成交易?；谥悄芎霞s[17]機制能夠應(yīng)用于配電交易的許多場景，如分布式能源交易、綜合能源服務(wù)等。

在信息物理環(huán)境下，區(qū)塊鏈技術(shù)可以應(yīng)用于以下三類場景，同時也是后評價重點分析方向。

（1）場景1：基于智能合約實現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備的配電端電力交易

物理基礎(chǔ)設(shè)施方面，能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將隨著信息技術(shù)的極大提升而不斷完善，適應(yīng)國家發(fā)展綜合能源服務(wù)的大趨勢，從配電網(wǎng)的角度切入能源變革發(fā)展。未來電力生產(chǎn)場景中，用戶既是消費者也是生產(chǎn)者，即“產(chǎn)消者”。能源互聯(lián)網(wǎng)借鑒互聯(lián)網(wǎng)思維，推動電力生產(chǎn)、消費向分布式對等發(fā)展，分布式能源與互聯(lián)網(wǎng)式的交易結(jié)合將是新興發(fā)展方向?！澳芰柯酚善鳌薄疤摂M電廠”“新能源云”的提出，為搭建初步的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)提供了方法，但還缺乏有效、安全的交易機制和模型，區(qū)塊鏈技術(shù)可以有效解決這一問題。

基于區(qū)塊鏈的交易機制，既保證了交易安全開展，同時，區(qū)塊鏈自有的激勵機制也可以用于促進清潔能源的機制設(shè)計。基于此，能源互聯(lián)網(wǎng)的有效構(gòu)建，將極大地促進分布式能源地利用與開發(fā)，促進配電網(wǎng)建設(shè)地不斷完善升級，并且靈活消納各類清潔能源，實現(xiàn)帶動用電方式的升級。

（2）場景2：基于智慧供應(yīng)鏈建設(shè)的電力物資管理

企業(yè)內(nèi)部管理方面，供應(yīng)鏈管理場景是物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈技術(shù)整合的典型情境[18]，電網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的主體，其維護與運營需要調(diào)用大量的物資資源，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)可以有效提高電力物聯(lián)網(wǎng)的管理效率。

在傳統(tǒng)物資供應(yīng)鏈中，存在一定程度的信息不對稱，在一定程度上會降低物資采購效率，而供應(yīng)鏈管理的透明程度越高，物資供應(yīng)質(zhì)量越有保障。區(qū)塊鏈技術(shù)可以實現(xiàn)新型的物資采購模式，基于智能合約，實現(xiàn)高效的物資采購及物資管理。

（3）場景3：基于移動終端的用電APP建設(shè)

目前的移動互聯(lián)網(wǎng)條件下，在用戶體驗方面，用戶可以使用國網(wǎng)APP實現(xiàn)網(wǎng)上購電。但在信息提供方面，電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)后，可以為用戶提供更豐富的用電、用能數(shù)據(jù)，為用戶用電決策提供依據(jù)。

依托于移動網(wǎng)絡(luò)終端應(yīng)用及物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)提供的海量數(shù)據(jù)，電網(wǎng)企業(yè)地營銷部門可以針對性地設(shè)置用電模式及典型場景，用戶參與能源消費的行為將大大豐富，從而實現(xiàn)智慧用電。在終端應(yīng)用的開發(fā)中，區(qū)塊鏈技術(shù)、邊緣計算等技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高線上交易的效率和可靠性。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)還可以用來提供電力消費金融等等，為電力消費帶來便捷。

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的軟、硬件信息技術(shù)將迅速應(yīng)用到實際工程中來。區(qū)塊鏈技術(shù)可以在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的物理設(shè)施建設(shè)的基礎(chǔ)上，有效擴展管理行為和交易行為的便捷性和安全性。結(jié)合國家區(qū)塊鏈戰(zhàn)略和企業(yè)的泛在物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，區(qū)塊鏈加物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)路線將會在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮更多的作用。評價該類技術(shù)的應(yīng)用時，場景也將越來越豐富。